大跨連續剛構橋設計與計算分析

中圖分類號：U448 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0128-04

Abstract：Thebridgeopeninglayoutofthislocationisbasedontheroutedirection，terrain，geologicalconditions，andflood discharge requirements. The main bridge span layout is （82+3×150+82）m . Based on the design characteristics of the main beam structure，prestresedsystem，andpierstructureofthebridge，afiniteelementmodelofthebridgewasestablishedusing Midas/ Civilsoftware.Thebearingcapacity，crackresistance，andstfessofthebridgewereanalyzed，andthecalculationresults showedthattheyallmettherequirementsofthecurrentspecifications.Reasonabledesignwasadoptedtocontrolthewebplate cracksand the mid span deflection problem，withgood reliability and safety.

Keywords：large-spancontinuousrigidframebridge;cantileverpouring construction;webplate crack；mid-span deflection; bridge design

在跨越大型河流、山谷等工程中，以“安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀\"為技術方針，充分吸收國內外的建橋新理論、新材料、新工藝、新技術和先進經驗，并結合地質、地形、地貌的特征，選擇適合的橋梁方案尤為重要。大跨連續剛構橋是橋梁中常用的一種橋型，主要的優勢在于施工技術成熟、跨越能力較強、經濟性較好、后期養護維修方便。但此類橋梁在運營中也出現了存在一些問題，如跨中下撓較大、腹板開裂等問題，因此在設計階段應加強結構計算分析，減小橋梁運營風險。

1 工程概況

本橋為某高速公路跨越黃河而設置的一座多孔高墩連續剛構橋，雙幅橋梁段標準路基寬 25.5m ，雙向4車道，左右分幅設計，單幅橋寬 12.5m 。采用變截面連續剛構梁橋，跨徑布置為（ 82+3×150+82 ） m ，橋墩墩高 47～52m 。

主要技術標準： ① 公路等級為高速公路； ② 設計速度為 80kmh ③. 單幅橫斷面布置為 0.5m （防撞墻） + 11.5m （車行道） +0.5m （防撞墻），橋梁總寬 12.5m ④ 設計基準期為100年； ⑤ 設計使用年限為100年； ⑥ 橋梁安全等級為一級； ⑦ 汽車荷載為公路-I級，按3車道進行計算并考慮橫向縱向車道荷載折減系數； ⑧ 防洪標準為100年一遇； ⑨ 環境類別為I類。

2 結構設計

2.1 上部梁體

橋梁采用單箱單室直腹板斷面，箱梁寬 12.5m ，中跨跨中梁高 3.8m ，中墩處橫向中心處梁高 9.2m ，梁高變化段采用1.8次拋物線漸變，頂板標準厚度 30cm 底板厚度從 34cm 到 110cm 按1.8次拋物線變化，腹板變化厚度為 55，75，90cm，0^# 塊腹板厚度 120cm 。

主橋上部結構為三向預應力體系，橋梁縱向采用全預應力混凝土設計，預應力采用高強低松弛預應力鋼絞線，標準強度 1860MPa 。箱梁縱向鋼束采用Φ15.2mm ，鋼束規格分別采用 15-17，19，22， 橫向預應力鋼束采用 Φ15.2mm 的高強度低松弛鋼絞線，單端張拉，腹板豎向預應力筋采用 Φ16-3 無粘結預應力混凝土用鋼棒，并在 0^# 塊設置錨固至橋墩中的豎向鋼束。

2.2 下部構造

主墩采用鋼筋混凝土雙肢實心薄壁墩，基礎采用鉆孔灌注群樁基礎。雙肢實心薄壁斷面為 7m×2.0m ，雙肢中心間距 6m ;四周設 R=20cm 倒角。承臺為左右幅共用一個承臺，厚度為 4m ，平面尺寸為 24.6m× 15.9m_o 基樁采用24根 D=1.8m 鉆孔灌注樁，主墩樁基按嵌巖樁設計。

2.3主要建筑材料

2.3.1 混凝土

① 梁部采用C55混凝土； ② 橋墩采用C45混凝土； ③ 承臺采用C40混凝土； ④ 樁基采用C35混凝土。

2.3.2 普通鋼筋

主橋梁部采用HRB400級鋼筋，下部采用HRB400及HPB300鋼筋。

2.3.3 預應力鋼絞線

箱梁縱向及橫向預應力鋼絞線符合GB/T5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》標準，其公稱直徑Φ515.2mm ，鋼絞線抗拉標準強度 f_pk=1860MPa ，彈性模量 Ep=1.95×10⁵MPa ，松弛系數 I 級， ζ=0.3 ;預應力管道采用塑料波紋管。

2.3.4 預應力鋼棒

腹板豎向預應力筋采用 Φ16-3 無粘結預應力混凝土用鋼棒。

3 結構計算

通過MidasCivil對本橋上部進行了結構計算分析，上部結構采用三向預應力體系，橋梁縱向采用全預應力混凝土設計。

設計建模時結合施工流程（樁基施工 $$ 承臺施工 $$ 橋墩施工 $$ 主墩托架上澆筑0號塊 $$ 采用掛籃對稱懸臂澆筑施工至最大懸臂 $$ 合攏邊跨 $$ 合攏中跨 $$ 合攏次邊跨，最后進行橋面系、防撞墻及附屬設置等施工）計算結構各截面內力、應力及變形等。

3.1 永久荷載

1）自重荷載：系統自動計入-1.04。2）二期恒載合計：橋面鋪裝 ?+ 防撞墻 =48kN/m 。3）混凝土收縮及徐變：按照JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》取值。4）支座沉降：沉降值取值 10mm 。

3.2 可變荷載

1）汽車荷載：車道荷載采用公路-I級，汽車荷載作用下的有限元分析按車道荷載方式加載，采用影響線加載方式。汽車沖擊系數按照JTGD60—2015《公路橋涵設計通用規范》4.3.2條取值。按3車道自動計算求最不利汽車荷載組合。

2）制動力：按照JTGD60—2015《公路橋涵設計 通用規范》34.3.5條取值，將制動力按橋面線性荷載加 載到橋面上。

3）離心力：主橋位于直線段，不考慮離心力的作用。

4）風荷載：按照JTG/T3360-01—2018《公路橋梁抗風設計規范》的相關規定，考慮在主梁上、橋墩上加載靜風荷載。

5）梯度溫度作用。豎向日照正溫差按照JTGD60—2015《公路橋涵設計通用規范》表4.3.10-3差值計算，即取值 ；豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5。

6）整體升、降溫。計算考慮結構整體升溫 25^°C ）降溫 -25^°C 計算。

7）頂推力。在橋梁合攏前施加頂推力，能有效地改善橋墩的受力，并控制橋梁變形和內力。

3.3 其他荷載

掛籃： 89t ；以集中力形式加載于節段端頭位置。

1^# 節段重量為 2102kN;890/2102=0.423，2^# 節段重量為 2021kN;890/2021=0.44 ，掛籃質量和混凝土重量常規比在0.3～0.5之間。

4上部結構計算分析

4.1 計算軟件

主梁縱向計算均采用MidasCivil進行計算和自編程序進行驗算。

4.2 計算模型

模型中均采用梁單元，共1414個節點，1349個單元。結構離散如圖1所示。

圖1計算模型

4.3箱梁結構成橋內力圖

成橋階段恒載主梁內力圖如圖2、圖3所示。

圖2成橋階段主梁恒載彎矩圖

圖3成橋階段主梁恒載剪力圖

活載作用下主梁內力圖如圖4所示。

4.4箱梁受力驗算結果

4.4.1 使用階段正截面抗裂驗算

JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》2第6.3條規范：對于全預應力混凝土構件，在作用（或荷載）短期效應組合下， σ_st-0.80σ_pc?0 。

短期荷載組合下，截面上下緣的包絡應力圖如圖 5、圖6所示。箱梁短期效應組合抗裂驗算見表1。

4.4.2 使用階段斜截面抗裂驗算

JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》2第6.3條規范：對于全預應力混凝土構件，在作用（或荷載）短期效應組合下， σ_tp?0.4f_t= 1.096MPa 。以下給出短期組合工況下，截面主拉應力的應力包絡圖如圖7所示。

4.4.3 使用階段正截面壓應力驗算

JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第7.1.5條規定：受壓區混凝土的最大壓應力，未開裂構件 σ_ke+σ_pt?0.5f_ck=0.5×35.5=17.75MPa 以下給出截面上下緣的應力包絡圖，如圖8、圖9所示。

結論：根據圖8、圖9得知使用階段應力荷載組合壓應力驗算滿足規范要求。

4.4.4使用階段斜截面主壓應力驗算

JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》2第7.1.6條規定：應符合下列要求，σ_ep?0.6f_ck=0.6×35.5=21.3MPa 。以下給出荷載標準組合工況下，截面主壓應力的包絡應力圖如圖10所示。箱梁持久狀況混凝土主壓應力驗算見表4。

圖10主壓應力圖

表4箱梁持久狀況混凝土主壓應力驗算表

4.4.5 使用階段正截面抗彎驗算

根據JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》2第5.1.2-1條的規定 γ_0s?R 驗算，結構的重要性系數 × 作用效應的組合設計最大值 ? 構件承載力設計值。

以下給出承載能力組合工況下，截面的彎矩包絡圖如圖11所示。使用階段正截面抗彎驗算見表5。

圖11主梁彎矩包絡圖

表5使用階段正截面抗彎驗算表

結論：根據圖11得知使用階段正截面抗彎驗算滿足規范要求。

4.4.6使用階段斜截面抗剪驗算

根據JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》2]第5.1.2-1條 γ_0s?R 驗算，結構的重要性系數 ?× 作用效應的組合設計最大值 ? 構件承載力設計值，以下給出承載能力組合工況下，截面的剪力包絡圖如圖12所示。

圖12主梁剪力包絡圖

結論：根據圖12得知使用階段斜截面抗剪滿足規范要求。

5腹板斜裂縫的解決辦法

目前連續剛構橋腹板斜裂縫最為普遍和嚴重，主要出現的區域為支點至L/4區域，為解決腹板裂縫采用了以下解決辦法。

第一，降低腹板鋼束張拉位置。

第二，采用低回縮、高效率的豎向預應力鋼棒。

第三，增加區域內外表面鋼筋網片。

6在本項目中針對跨中下撓問題及解決辦法

跨中下撓是目前既有連續剛構的一個普遍現象，主要原因為混凝土的收縮徐變、縱向預應力隨著時間的推移，有效性降低，在施工過程中的施工誤差，車輛荷載過大。

主要解決辦法為： ① 增強頂板鋼束的布置； ② 規范施工流程。

7結束語

大跨連續剛構橋自前國內外運用較為普遍，主要的優勢在于設計、施工技術成熟、跨越能力較強、經濟性較好和后期養護維修方便，是跨越河流、道路、山谷等項目中較有優勢的橋型方案。但根據運營養護情況看，目前部分大跨連續剛構出現了跨中下撓過大、箱梁腹板裂縫等問題。本橋首先根據現行規范JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[2對結構進行了各項驗算，均滿足規范要求，并針對病害易發區采取對應的措施，增強橋梁結構的安全性，可為同類型橋梁提供有益參考。

參考文獻：

[1]預應力混凝土用鋼絞線：GB/T 5224—2014[S].2015.

[2]中交公路規劃設計院有限公司.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG3362—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[3]中交公路規劃設計院有限公司.公路橋涵設計通用規范：JTGD60—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015

[4]中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁抗風設計規范：JTG/T3360-01—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.